DE3536749A1 - Laservorrichtung - Google Patents

Description

Laservorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung und insbesondere, aber nicht ausschließlich auf solche Laser, die als Lasermedium Materialien benutzen, die normalerweise bei Raumtemperatur fest oder flüssig sind und die in der Gas- oder Dampfphase lasen.

Ein solches Lasermaterial kann ein Metall sein, welches auf die Dampfphase in der Entladungskammer erhitzt wird und welches Pfützen aus geschmolzenem Metall am Boden der Entladungskammer bilden kann. Wenn es im Betrieb erforderlich ist, die Laservorrichtung zu bewegen oder die Vorrichtung mit geneigter Entladungskammer zu betätigen, dann fließt das geschmolzene Metall in der Kammer umher oder sammelt sich an einem Ende der Entladungskammer. Gewisse Laservorrichtungen, die Metalldämpfe benutzen, sind mit Dochten ausgestattet, die gewöhnlich aus Metallgeflecht bestehen, um das geschmolzene Metall in den Entladungsbereich zurückzuführen. Derartige Dochte können einen sehr großen Querschnitt besitzen und bewirken eine beträchtliche Störung für den Laserstrahl. Auch wird unter gewissen Umständen die Flüssigkeit das Dochtmaterial nicht benetzen und unter gewissen Umständen kann bei einer Neigung das geschmolzene Metall aus einem Docht herauslaufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser zu schaffen, der in der Lage ist ein Metall in der

Dampfphase zu lasen und bei dem das Lasen zufriedenstellend auch dann erfolgen kann, wenn die Laservorrichtung gekippt wird oder wenn sie sich wegbewegt .

Die Erfindung geht aus von einer Laservorrichtung mit einer Entladungskammer und Mittel, die in der Kammer die erforderlichen Bedingungen für eine angeregte Emission erzeugen. Hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Entladungskammer wenigstens teilweise aus einem porösen Material besteht.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Laservorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 1 ;

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Laservorrichtung;

Fig. 4 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt einer abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 5,

6 und 7 der Fig. 2 entsprechende Schnittansichten abgewandelter Ausführungsbeispiele.

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Gemäß Fig. 1 weist die Laservorrichtung eine Entladungskammer auf, die aus einem nicht porösen Keramikrohr 10 besteht. Die Entladung wird in dem Rohr 10 zwischen einer Elektrode 11 an einem Ende des Rohres und einer zweiten Elektrode 12 am anderen Ende erzeugt. Die Elektroden 11, 12 sind an eine nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen. Die Spannungsquelle erzeugt eine gepulste Entladung im Rohr mit einer Wiederholungsrate von 5 kHz. Wenn die Vorrichtung gebaut wird, dann wird eine Schicht aus einer porösen keramischen Paste 13 auf den Boden des Rohres 10 gesprüht, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist, und auf der Paste 13 werden einzelne Klumpen aus Drahtbündeln aus Kupfer placiert, wie dies bei 14 angedeutet ist. Nach dem Anlassen der Laservorrichtung heizt die Entladung graduell das Rohr auf, und die Paste 13 trocknet aus und erhärtet, während die Kupferstücke schmelzen und dann teilweise verdampfen, worauf das Metall dann lasen kann.

Der Laserausgang wandert in Längsrichtung über das Rohr und wird zwischen einem Spiegel 15 an einem Ende und einem Fenster 16 am anderen Ende reflektiert. Der Spiegel 15 besitzt eine hohe Reflektivität und reflektiert den Hauptanteil der Strahlung. Das Fenster 16 ist ein Spiegel mit niedrigem Reflexionsgrad, der nur einen Teil der Emission reflektiert und den Rest durch das Fenster austreten läßt, welches den Ausgang der Laservorrichtung darstellt.

Das Entladungsrohr 10 ist von einer zylindrischen

thermischen Isolierschicht 17 umgeben und in einem Vakuummantel 18 eingeschlossen. Dieser wiederum wird von einem zylindrischen Kühlmantel 19 umschlossen. Der Mantel 18 ruht auf O-Ringen 20 und 21, die in Ringnuten von Stirnplatten 22, 23 eingesetzt sind. Diese Stirnplatten sind durch nicht dargestellte Schrauben so verspannt, daß sie die O-Ringe 20, 21 gegen den Vakuummantel 18 drücken. Der Kühlmantel 19, der den Vakuummantel 18 umschließt, besteht aus einem mit Flanschen versehenen Zylinder 25, auf dessen Außenseite schraubenförmig rohrförmige Spulen 26 aufgewickelt sind. Die Spulen sind am Mantel derart angelötet, daß sie in guter thermischer Berührung damit stehen, und die Spulen führen ein Kühlmittel, z.B. Wasser.

Der Spiegel 15 und das Fenster 16 sind an den Endplatten 20, 23 durch O-Ringe 27, 28 abgedichtet, wodurch die Vakuumkammer vollendet ist.

Wenn die Laservorrichtung arbeitet, dann ist jener Teil des Metalls, der noch nicht verdampft ist, noch geschmolzen. Da die Materialschicht 13 porös ist, wird das flüssige Metall darin absorbiert und kann daraus verdampfen und als Dampf in den Entladungsraum unter der Wirkung der Hitze der Entladung übergehen .

Wenn die Laservorrichtung geneigt wird oder im Betrieb herumbewegt werden muß, dann wird das geschmolzene Metall in dem Material 13 zurückgehalten und

verläuft nicht in Längsrichtung entlang der Entlad ungs kammer.

Wenn die Eingangsleistung des Lasers abgeschaltet wird und die Vorrichtung abkühlt, dann erstarrt das Metall innerhalb des porösen keramischen Materials 13, und wenn die Entladung wieder beginnt, dann schmilzt das Metall und verdampft wieder.

Fig. 2 zeigt die Isolierschicht 17, das nicht poröse Rohr 10 und die Schicht 13 im Querschnitt, und es ist deutlich ersichtlich, daß die Schicht 13 insgesamt über den unteren Teil des Rohres 10 verläuft.

Bei der obigen Anordnung schmilzt, wenn der Laser in der üblichen Weise hochgefahren wird, zunächst das Kupfer und ein Teil hiervon verdampft dann. Wenn das Kupfer als Flüssigkeit entweder während des Normalbetriebes oder beim Abschalten kondensiert, dann wandert das Kupfer in die poröse Keramikmatrix zurück.

Bei der in Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnung wird das Kupfer in diskreten Stücken auf der Oberseite der Pastenschicht aufgebracht. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird das Kupfer in Granulatform verwendet und mit der Keramikpaste 13 vermischt und gleichmäßig mit dieser aufgetragen.

Die einzelnen Körner des Granulats bilden kleine Löcher in der Keramikpaste und verbessern den porösen Aufbau des Keramikmaterials, so daß dessen Fähigkeit zur Aufnahme des geshcmolzenen Kupfers verbessert wird.

Gemäß einer weiteren abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 4 wird das Kupfer in Gestalt einzelner Stücke vorgesehen, die in die Paste nach der ursprünglichen Einfügung eingelegt werden. Wenn die Paste aushärtet, bilden die Kupferteilchen Taschen in der porösen keramikschicht, die als getrennte Vorratsbehälter für das Kupfer dienen, wenn dieses geschmolzen ist. Das geschmolzene Kupfer ist so in der Lage, leicht in jene Taschen einzufließen, wenn die Laservorrichtung bewegt oder geneigt wird, und das Kupfer kann das poröse Keramikmaterial durchdringen.

Es hat sich im Betrieb gezeigt, daß die poröse Keramikmatrix, die geschmolzenes oder festes Kupfer enthält, keinen kontinuierlichen Pfad mit niedrigem Widerstand über die Länge der Laservorrichtung bildet, obgleich das Kupfer in einer scheinbar kontinuierlichen Form vorhanden ist, und es wird die Entladung nicht kurzgeschlossen.

Gemäß dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird die Porosität durch eine getrennte Stange 20 aus nicht porösem Keramikmaterial gebildet, die jedoch eine Vielzahl von Löchern 21 aufweist, die die Stange durchdringen.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Löcher 21 sämtlich diametral durch die Stange 20 hindurch, und sie sind in einer einzigen Linie ausgerichtet und weisen einen gleichmäßigen Abstand über

die Länge der Stange auf. Diese Löcher könnten jedoch irgendeine Orientierung und Anzahl aufweisenu.so angeordnet werden, daß sie die erforderliche Porosität liefern, um das Lasermaterial aufzufangen.

Der Vorteil der Anordnung gemäß Fig. 5 besteht darin, daß keine Keramikpaste in die Entladungskammer eingefügt werden muß. Dies kann von Vorteil bei gewissen Anwendungen sein, bei denen es sich gezeigt hat, daß im Betrieb die Paste die Neigung hat, auszubrechen und das so freigegebene Pulver die Neigung hat, die Oberflächen der Spiegel der Laservorrichtung zu überziehen und abzudunkeln, so daß die Laservorrichtung zum Zwecke der Reinigung abgeschaltet werden muß.

Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen, wo eine weitere abgewandelte Ausführungsform dargestellt ist, bei welcher die rohrförmige Isolierschicht 27 mit einem vollständigen inneren rohrförmigen überzug 30 versehen ist, der aus granuliertem Kupfer, vermischt mit pulverisiertem Aluminiumoxid in einer Paste besteht. Im Betrieb schmilzt das Kupfer aus und ein Teil davon verdampft und das Aluminiumoxid härtet aus. Das geschmolzene Kupfer dringt in die Aluminiumoxid-Matrix des rohrförmigen Überzuges 30 ein.

Bei dieser Anordnung, die kein nicht poröses Material aufweist, hat die Entladungskammer eine niedrige Wärmekapazität, so daß eine schnelle Aufwärmung erfolgen kann und die Konstruktion ist relativ billig, weil

hochverdichtete Aluminiumoxidrohre in poröser oder nicht poröser Form nicht benutzt werden.

Nunmehr wird auf Fig. 7 Bezug genommen. Die Entladungskammer umfaßt eine Isolation 37 mit quadratischem Querschnitt und eine poröse Auskleidung 40 aus einer Paste, bestehend aus Kupfergranulat und Aluminiumoxid-Zement. Das Rohr 37 besteht aus porösem Isolationsmaterial und kann auf einfache Weise mit dem erforderlichen Querschnitt hergestellt werden, z.B. rechteckig oder H-förmig als Alternative zu der dargestellten quadratischen Querschnittsform.

Bei der Anpassung der Anordnung gemäß Fig. 7 kann die Kammer mit einer relativ unporösen Schicht aus reiner Aluminiumoxid-Paste ausgekleidet werden, die zuerst trocknet. Dann kann eine zweite Schicht aus Aluminiumoxid-Paste vermischt mit Kupferpulver aufgebracht werden, um eine mehr poröse Matrix zu bilden, die das Kupfer hält. Die erste Pastenschicht bildet eine relativ undurchlässige Schicht, die verhindert, daß das Kupfer in die Aluminiumoxid-Fasern einfließt, und die zweite Pastenschicht liefert'die erforderliche Porosität.

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Claims (7)

1. Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

   Europäische Patentvertreter . . . - Dlpl.-Ing. Günther Koch

   European Patent Attorneys OCQC₇ZQ ^DiP'--^Phy^s· ^DrTino Haibach

   JOJb /43 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

   D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (O 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

   _Datum: 15. Oktober 1985

   Oxford/ Lasers Limited unser zeichen: 18 208 - K/Ap

   Croft Avenue
   Ki d1ington
   Oxford 0X5 2HU

   Laservorrichtung
   Patentansprüche:

   Laservorrichtung mit einer Entladungskammer und einem Lasermedium innerhalb der Kammer sowie mit Mitteln, die innerhalb der Kammer geeignete Bedingungen für eine stimulierte Emission des Mediums schaffen,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungs- *

   bereich innerhalb der Kammer (10) wenigstens J

   teilweise durch ein poröses Material (13, 20, 30, 40) definiert wird.
2. 2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ein nicht poröses Rohr (10) aufweist, und daß das poröse Material (13, 20, 30, 40) in das Rohr (10) in Form einer Paste während des Endzusammenbaus der Vorrichtung eingeführt ist.
3. 3. Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (14) in das Rohr (10) während des Endzusammenbaus der Vorrichtung vermischt mit dem porösen Material

   (13, 20, 30, 40) eingebracht wird, und daß das Medium die Gestalt von Brocken hat, die Hohlräume in dem porösen Material bilden, nachdem die Vorrichtung gearbeitet hat.
4. 4. Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (14) in das Rohr (10) während des Endzusammenbaus der Vorrichtung vermischt mit dem porösen Material (13, 20, 30, 40) eingebracht wird, und daß das Medium (14) in Granulatform vorliegt, das im porösen Material (13, 20, 30, 40) verteilt ist.
5. 5. Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer aus einem nicht porösen Rohr (10) besteht, und daß das poröse Material (13, 20, 30, 40) einen nicht porösen Körper (20) mit einer Vielzahl von Löchern aufweist, deren Größe geeignet ist, um das Lasermedium (14) im geschmolzenen Zustand oder im festen Zustand zurückzuhalten.
6. 6. Laservorrichtung nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Entladebereich innerhalb der Kammer insgesamt durch das poröse Material (30) definiert ist.
7. 7. Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserbereich einen vom Kreis abweichenden Querschnitt (37) besitzt.